人为气溶胶影响华南春末干旱的模拟研究外文翻译资料

 2022-12-03 14:35:38

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人为气溶胶影响华南春末干旱的模拟研究

1 LASG，中国科学院大气物理研究所，北京100029
2大气科学和全球变化司，西北太平洋国家实验室，Richland，WA 99352，美国
3中国科学院大学，北京100049
4大气科学系，怀俄明大学，Laramie，WY 82071，美国
（2013年2月7日起，2013年5月22日截止）

摘要 在这项研究中，华南春末降水年代际变化的机制使用了最新的公用地球系统模式版本1(CESM1）进行研究。我们的目的是基于前工业时代至今（1850-2000年），解开不同气候强迫作用（例如气溶胶和温室气体（GHGs））对降水量的年代际变化的作用。我们的研究结果表明：（1）CESM1可以再现华南春末大气环流和降水的气候特征；（2）只有模拟包括人为气溶胶的强迫作用才可以再获得华南春末1950–2000年观测到的降水量的减少趋势；（3）气溶胶主要通过大规模改变大气环流来改变降水的年代际变化的，并且在较小程度上通过增加对流层底部的稳定性来抑制对流性降水；（4）相比之下，其他气候强迫作用（如温室气体）影响华南春季降水年代际变化的作用就小得多。
关键词：降水，气溶胶，气候变化，华南，公用地球系统模式
引用：胡宁和刘小红，2013：人为气溶胶影响华南春末干旱的模拟研究。气象学报，27（5），701-715；

doi：10.1007 / s13351-013-0506-z。

  1. 引言

华东地区，包括江淮流域的南部，是世界上人口最多的地区之一。该地区的气候年代际变化对社会和经济产生了巨大的影响。20世纪50年代有很多关于东亚夏季风的年代际变化的研究，尤其是华东地区所谓的“南涝北旱”的特征。不过，这些模式的机制并不具有确定性。一些研究强调热带印度洋和太平洋海洋表面温度（SST）变化的作用（Li等，2010），而另一些研究则将降水变化与温室气体（GHGs）（zhu等，2012）的增加而造成的全球变暖或人为气溶胶强迫作用（Xu，2001； Menon等，2002）联系起来。相比之下，其他季节的气候年代际变化没有被集中性地进行研究，如夏季。然而，中国的春季降水的年代际变化自从20世纪50年代就很显著了（Yang和Lau，2004； Zhai等，2005），其中华北地区和东南沿海降水降水量偏多，沿着江淮流域南部（定义为华南地区）降雨量减少，夏季降水量变化模式几乎相反。

华南地区的春季气候平均总降水量占全年降水总量的30％以上（Yang和Lau，2004）。因此，最重要的是了解春季降水年代际变化的机制。 Yang和Lau（2004）基于奇异值分解和点相关方法，将春季降水变化率与整个太平洋和印度洋的SST的海盆尺度年代际变化联系起来。Xin等人（2006）认为对流层上层冷却可能是20世纪70年代末强大的冬季北大西洋涛动（NAO）指数造成的，这也是造成华南春季降水减少的主要原因。 Hu等人（2003）分析了耦合模型相互对比项目第二阶段（CMIP2）的模拟，发现从CMIP2集合模拟与GHG强迫的季节性降水变化存在较大的不确定性（多样性），因此不能根据CMIP2模拟将季节性降水变化归因于温室气体增加。

据我们所知，只有少数研究关于人为气溶胶对中国春季降水的影响（Kim等，2007；Liu等，2011）。众所周知，气溶胶可能通过扰动公用地球气候系统的辐射平衡来影响大气水循环（Ramanathan等，2001；Bollasina等，2011），气溶胶的散射和吸收太阳能或红外辐射，并由此诱导直接辐射的强迫作用。气溶胶还可以作为云凝结核（CCN），因此由于空气污染而增加的气溶胶可能产生更多的云滴，并具有更小的尺寸以增加云的反照率（第一间接效应）（Twomey，1974）。较小的云滴也可能影响降水，从而增加液态水含量和云量（第二个间接效应）（Albrecht，1989）。一些类型的气溶胶，如黑碳（BC）吸收阳光，可以根据云的位置吸收气溶胶相（半直接效应）而影响云（Koch和del Genio，2010）。由于气溶胶浓度在空间和时间上的变化与温室气体相比大得多的，所以气溶胶辐射强迫作用可能会改变加热和压力梯度，以及影响与云和降水有关的过程，并诱发大气环流的变化（Lau等人，2008）。

Kim（2007）发现硫酸盐气溶胶的辐射强迫作用是通过改变大气环流来冷却地表以减少中亚东部（与我们研究所定义的华南地区相同的区域）的降水。用有无辐射的两个平衡模拟实验模拟硫酸盐气溶胶强迫作用来进行硫酸盐气溶胶效应的检验，并且在这两个模拟实验中规定了SST以及所有GHG保持相同。在我们的研究中，我们使用最先进的大气环流模式（GCM），公用地球系统模式版本1（CESM1），考虑气溶胶直接、半直接和间接效应；我们对前工业时代至今（1850-2000年）使用和不使用以及不同的强制作用进行瞬态模拟而非均衡模拟；我们比较了气溶胶效应与其他强迫作用的影响，例如SST的变异性和温室气体强迫作用；我们分析了4月和5月的结果，而非3月、4月和5月的结果，如Xin等人（2006）指出降水量的减少主要发生在春末。

本文组织如下：第2部分简述了CESM1及其对气溶胶和气溶胶效应影响气候的处理、模式结构、实验设计和本研究中使用的观测数据集；第3部分比较了人为气溶胶与其他强迫剂对华南春季降水变化的影响；第4部分提出了本研究的结论和讨论。

2.数据和方法

在这项工作中，我们运行了公用地球系统模式版本1.0.3（CESM1.0.3），即公用大气模型版本5.1（CAM5.1；Neale等人，2010）耦合到公用路面模式（CLM4; Oleson等，2010），随带海洋结构和热力学海冰结构的数据。在CAM5.1中，气溶胶过程和由模态气溶胶模块（MAM）交互式处理的性质（Liu等，2012）。对于长期瞬态模拟，我们使用的第三模式版本的模态气溶胶模块（MAM3），其主要预测气溶胶物质的质量和数量浓度，包括硫酸盐、BC、初级有机物（POM）、次级有机气溶胶（SOA）、矿物粉尘和海盐。气溶胶颗粒的尺寸分布由Aitken、堆积物和粗粒径组成的三对数正态模式描述。不同种类的气溶胶会在模式内外部混合，气溶胶的光学性质和吸湿性质以及与散射、成核、凝结、凝结增长以及干湿沉降相关的物理和化学过程都能在MAM中表示。 MAM能够捕获观测到气溶胶粒径分布、质量和数量浓度以及气溶胶光学性质的地域和时间变化（Li等，2012；Ghan等，2012），尽管该模型低估了东亚（Jiang等，2013）和南亚（Ganguly等，2012）的气溶胶浓度。CAM5.1通过气溶胶激活和冰成核，利用两介质层状微物理方案（Liu等，2007；Morrison 和Gettelman，2008； Gettelman等，2010）明确地处理了层状云上的气溶胶效应。

通过参考耦合模型相互对比项目第5阶段（CMIP5）的实验设计，我们使用不同的气候强迫作用（例如温室气体、臭氧和气溶胶）的组合进行了一组从1850年到2000年的历史模拟（Taylor等，2012）。 对SST和海冰区段使用哈德利中心的海冰和海水表面温度数据集（Rayner等，2003）， 气溶胶和前体排放取用IPCC AR5排放数据集（Lamarque等，2010）。这些模拟旨在气候变化中，比较不同气候强迫作用和SST变化起到的作用。 这些模拟是：

ALL：按历史标准运行所有具有随时间变化气候强迫作用，例如温室气体、气溶胶、臭氧、太阳常数和历史海平面气温。该模拟包括所有气候强迫剂和SST变化。

AERO：按历史标准运行具有随时间变化的气溶胶强迫（排放）以及历史SST的变化，并规定其他所有的强迫（温室气体、臭氧和太阳常数）维持在1850年的水平。该模拟包括气溶胶气候强迫和SST的变化。

GHG：按历史标准运行具有随时间变化的温室气体强迫（浓度）以及历史SST的变化，并规定其他所有的强迫（气溶胶排放、臭氧和太阳常数）维持在1850年的水平。该模拟包括温室气体强迫和SST的变化。
SST：按历史标准运行历史SST的变化，并规定其他所有的强迫（温室气体、气溶胶排放、臭氧和太阳常数）维持在1850年的水平。这种模拟只包括SST的变化。
对于每个模拟，会产生含有三个因素集合。集合中的因素是通过在初始化中扰动温度场而产生的。
该研究的分析中使用了NCEP / NCAR（Kalnay等，1996）再分析资料1、ERA-40（Uppala等，2005）再分析资料以及气候研究中心（CRU）（Mitchell和Jones，2005） 的降水数据。

3.人为气溶胶和其他气候强迫剂的作用

在图1中，ALL模拟成功地生成了4月和5月（AM）典型的大气环流模式，如青藏高原东部和华南地区的西南风，以及500hPa位势高度异常（相对于区域平均模式）。除了雨带稍北移外，也很好地模拟了降水情况。 它使我们有信心以继续检验和比较由实验模拟出的年代际变化。 我们注意到，在青藏高原东南部的陡峭地形与相对粗糙的水平分辨率模式（1.9°x2.5°）在约28°N 、100°E的降水量（即有效降水量）存在较大的正偏差，虽然这不是我们重点研究范围。

图1.1950-2000年期间的气候平均春末降水（阴影：mm/天）；850hPa风场（矢量：m/s）和500hPa位势高度场（等高线：位势米）。其中(a)ALL模拟；(b)NCAR-CRU数据。在海洋上没有CRU降水数据。

3.1气溶胶对辐射收支和云的影响

由于20世纪50年代以来工业化快速发展，人为气溶胶的排放在华东地区急剧增加。AERO模拟中反映了由于人为气溶胶排放量的增加，气溶胶光学深度（AOD）显著增加。在华南大部分地区，1978-2000年相对于1950-1977年增长超过0.06（图2a）。在AERO模拟中，气溶胶排放量的增加造成超过5Wm-2的表层晴空沉降太阳能通量的显著减少（图2b和表1）。这对辐射收支造成了相当大的扰动，可能促使了年代际气候变化。

表1. 1978-2000年和1950-1977年春末，中国南方某些平均气候变量的绝对变化和百分比变化

变量包括：表层晴空沉降太阳能通量（FSDSC：W/msup2;），850hPa的云滴量浓度（CDNC:m-sup3;），总网格云液态水路径（LWP；ｇ/msup2;）；垂直整合云滴浓度（CDNUMC:m-sup2;），短波云强迫（SWCF:W/msup2;），总对流和大尺度降水率（PRECT：mm/天），对流降水率（PRECC：mm/天）和大型降水率（PRECL：mm/天）。

图2. 1978-2000年平均值和1950-1977年平均值之间的差异：（a）气溶胶光学深度（AOD）；（b）表层晴空沉降太阳能通量（FSDSC：Wm-sup2;）；（c）850hPa的云中液滴数浓度（CDNC：x107m-3）；（d）AERO模式的总网格云液态水路径（LWP：g/msup2;）。 框表示在本研究中所定义的华南地区（25.5°-34°N，106°-122°E）；十字代表网格点，其中变化通过在5％显着性水平的双重t检验。

表1显示了1978-2000年和1950-1977年春末，华南地区的一些气候平均相关变量的变化。虽然只有较少的水汽被输送到陆地（图略），但云水总量在ALL（15％）模拟和AERO模拟（17％）显着增加，如图2d所示。这使华南地区的降水减少，以及大气中会凝结更多的云。相应地，垂直方向上的云滴数浓度（CDNUMC）在这两个模拟中也显著增加（在ALL中为42％，在AERO中为46％）。如图2c和表1所示，在ALL（27％）和AERO（26％）模拟中，850hPa云中液滴数浓度（CDNC）大大增加。大量的云在自动转换过程中抑制降水的初始化形成，并增加云水总量（第二间接效应）（Albrecht，1989）。相比之下，在GHG和SST模拟中的FSDSC（参见表1注释脚注）、LWP、CDNC和CDNUMC的变化非常小。气溶胶间接（微物理）效应在模式中通过大规模层状云上的气溶胶效应来表示。在表1中，短波云强迫在ALL和AERO模拟中分别增强（大负值）1.0和2.5Wm-2。因此，人为气溶胶对云微物理性质和辐射收支的影响远远大于GHG。

3.2降水的影响

图3中，1978-2000年华南春末降水与经CRU降水数据验实的1950-1977年平均降水量相比明显减少。只有ALL和AERO模拟（包括人为气溶胶强迫）可以重现与CRU观测中显示的位置和量级相当的减少模式。温室气体和SST模拟不能重现观测到的华南春末降水量的空间格局和幅度。这表明人为气溶胶可能在华南的年代际降水变化中起关键作用。更有趣的是，只有包括气溶胶强迫（ALL和AERO）的模拟能够重现观测

图3. 1978-2000年平均值和1950-1977年平均值之间的春季降水（阴影：mm/天）和850hPa风矢量（m/s）的差异：（a）ALL；（b）AERO；(c）GHG；（d）SST模拟；（e）CRU降水和NCEP再分析风场比较。方框表示本研究中定义的华南地区。

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